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25kWh/100kW储能飞轮轴向磁轴承设计与分析

材料写作网    时间: 2020-06-29 05:14:19     阅读:次     手机站

摘 要:储能飞轮支承系统性能的稳定性是转子系统高速正常运行的前提。磁轴承作为支承系统的核心部件,其结构设计是系统稳定性的根本。针对25 kWh/100 kW储能飞轮系统的特点,进行磁轴承设计时,用横截面为梯形的永磁环取代传统的矩形永磁环,得到一种新型的永磁磁轴承结构。采用磁路分析及有限元方法相结合的手段对该磁轴承结构进行了分析,并对这两种结构的磁轴承性能做了对比,结果表明该磁轴承的电磁磁路在工作气隙之外基本不经过永磁环本身,不产生附加径向力;该磁轴承具有效率高,电磁线圈损耗小,励磁线圈电流低,发热小,便于控制等特点,适用于大型储能飞轮支承系统。

关键词:储能飞轮;磁轴承;支承系统;结构设计;有限元

中图分类号:TH133.7

文献标识码: A

储能飞轮系统依靠其转子高速旋转进行能量储存,其支承系统性能良好与否是飞轮系统高速、稳定状态下正常工作的关键因素之一。机械轴承因旋转损耗及发热过大,很难满足其高速重载、摩擦损耗低、高可靠性及长寿命等要求[1-3]。适用于高速和超高速工况的空气轴承,因支承刚度低,亦不适合要求承载能力高的飞轮系统。随后出现了无源、无机械磨损、高转速、长寿命等特点超导磁悬浮轴承,但需低温液氮来维持其超导特性,且结构复杂及成本昂贵,因此得不到很好的应用[4]。

随着稀土工业和控制技术的发展,具有大承载能力、适用于飞轮系统的无机械接触磁轴承的研究和应用受到越来越多关注。采用反馈控制技术,可精密定位磁轴承径向及轴向的位移,极大提高飞轮系统的稳定性和可操控性[5]。

现有磁轴承中的永磁环横截面一般是矩形结构,但该结构将对磁力造成一定的阻碍,造成系统功耗高、承载能力小。针对上述不足,设计一永磁环横截面为梯形、功耗低、承载大的轴向混合磁轴承[6-7]。该轴承采用永磁偏置+电磁控制,永磁、电磁共享磁路,且电磁磁路几乎不通过永磁体,在实现大承载的同时还降低了电磁线圈的控制损耗,提高整个磁轴承的效率,且结构简单,便于加工、装配。

1 轴向混合磁轴承结构设计

1.1 轴向混合磁轴承结构

设计一25 kWh/100 kW大型储能飞轮系统的大承载永磁混合磁轴承结构,包括磁轴承定子与转子。其定子由定子腔、电磁绕组线圈、树脂、永磁环和导磁环构成;电磁绕组线圈由树脂内侧包围,永磁环采用轴向充磁内嵌于定子腔中,在系统平衡时,磁轴承定子与转子之间形成2.5 mm的轴向气隙。轴向混合磁轴...



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